高彈性并列復合中空聚酯纖維的研制

張培紅

(中國石化上海石油化工股份有限公司， 200540)

技術進步

高彈性并列復合中空聚酯纖維的研制

張培紅

(中國石化上海石油化工股份有限公司， 200540)

探討了在聚對苯二甲酸丙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯并列復合中空纖維研制中，高聚物原料、復合紡絲溫度、紡絲組件關鍵部件結構、拉伸工藝和松弛熱定型條件對纖維的彈性性能的影響。結果表明:兩種組分高聚物原料的黏度差異是影響彈性性能的關鍵因素，兩種組分紡絲溫度差在25 K左右較好，拉伸比對彈性性能的影響較大，松弛熱定型溫度和時間應分別控制在140～160℃和15～30 min。

聚對苯二甲酸丙二醇酯 聚對苯二甲酸乙二醇酯 并列復合 中空 彈性纖維

彈性纖維于20世紀60年代問世，80年代起得到了較快的發展。采用美國杜邦公司技術生產的“萊卡”彈性纖維產量居世界彈性纖維產量的首位，“萊卡”幾乎成了家喻戶曉的彈性服裝材料及彈性纖維的代名詞。從化學纖維的物理機械性能角度來看，所謂彈性纖維是一種具有很高的斷裂伸長率、低模量和高彈性回復力［1］的纖維，其中聚氨基甲酸酯纖維(又名氨綸)是彈性纖維中最具代表性的品種。目前，氨綸被廣泛用于帶有彈性功能的紡織、針織產品以及醫療用彈性繃帶生產。由于氨綸的生產工藝相對復雜，與熔融紡纖維相比，加工成本高且環保要求嚴格［2］，因而多年來化纖業致力于研究開發聚酯類彈性纖維以代替造價昂貴的氨綸，其中美國英威達、德國拜耳和日本Asahikasei等公司已經取得了實質性的進展。

近年來，高彈性聚酯纖維先后經歷了傳統的拉伸變形、非對稱冷卻成形、新型聚酯開發和雙組分復合等發展階段，其中聚酯雙組分復合纖維的開發為紡制彈性纖維開辟了一條新的途徑。用該法制成的產品品種多、附加值高，是高檔面料的理想原料之一。文章所涉及的高彈性并列復合中空聚酯纖維的研制采用的是特殊設計的熔體分配板及噴絲板，用聚對苯二甲酸丙二醇酯 (PTT)與聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)進行并列復合紡絲，利用PTT的特性及其所體現的綜合優異性能成功開發出了高彈性并列復合中空纖維。這種纖維手感柔軟，彈性回復性能優異，可用作仿毛織物的原料。

1 實驗部分

1.1 原料

為了研制具有高彈性的并列復合纖維，并獲得螺旋型永久卷曲的效果，要求所選原料具備以下特點［3］:

(1)兩種組分間具有較強的相容性，不會產生相對滑移甚至剝離;

(2)兩種組分具有不同的熱收縮率，在紡絲拉伸的過程中會產生差異。

按照以上要求，選擇PET和PTT作為并列復合紡絲的兩種組分。由于PET和PTT的大分子結構相似，兩種組分之間有較好的相容性。在相同的剪切速率下，PTT的表觀黏度比PET小，熔體的流動性能也比PET熔體好，而紡絲線上拉伸應力的差異導致PTT組分的熱收縮率較PET大［4］。兩種組分結構上的差異使纖維在拉伸后發生螺旋型卷曲——三維卷曲，從而產生高彈性能，而由于分子結構相似，兩并列組分間的黏合力較大，在后加工中不易裂離，復合纖維的強度和可紡性得到了保證。

在復合纖維制造過程中，合理的兩種組分復合比是促使彈性發揮到極致的關鍵之一。實驗所選取的PET與PTT的體積比為50∶50。

半消光PET切片由中國石化上海石油化工股份有限公司生產，特性黏度0.675 dL/g，熔點258℃;微消光PTT切片由美國殼牌公司生產，特性黏度0.920 dL/g，熔點229℃。

1.2 紡絲、拉伸工藝條件

兩種聚合物分別經干燥、熔融和計量，輸送至同一紡絲組件，在噴絲板處匯合并被擠出，經拉伸后制得并列復合中空纖維。并列復合中空纖維的紡絲、拉伸主要工藝參數見表1。

表1 并列復合中空纖維紡絲、拉伸主要工藝參數

1.3 卷曲性能測試方法及表征指標

彈性纖維的卷曲性能參照國家標準GB/T 14338—2008《化學纖維卷曲性能試驗方法》進行測試:預置夾持距離為20 mm，從已達到平衡的樣品中隨機取出20束纖維(卷曲未被破壞)，再從每束纖維中用張力夾隨機夾取一根纖維，將其懸掛于卷曲彈性儀的測力掛鉤上，然后用鑷子將纖維的另一端置于下夾持器中。加載輕負荷(0.002 0±0.000 2 cN/dtex)，平衡后讀取纖維長度L0;加載重負荷(0.075 0±0.007 5 cN/dtex)，平衡后記下纖維的長度L1;保持30 s后去除重負荷，恢復至預置夾持距離，保持2 min后加載輕負荷，平衡后讀取纖維的長度L2。按以下公式分別計算卷曲度(J)、卷曲回復率(Jw)和卷曲彈性率(Jd)等卷曲性能指標。

卷曲度用于表征卷曲后纖維的縮短程度，主要與卷曲數和卷曲波的深度有關;卷曲回復率也稱剩余卷曲率、殘留卷曲率(度)，用于表征卷曲纖維卷曲的耐久牢度，因而也稱卷曲牢度;卷曲彈性率用于表征纖維受力后卷曲恢復的能力［5－7］。

2 結果與討論

影響PTT/PET并列復合中空纖維彈性性能的因素包括:復合紡絲溫度、復合紡絲組件中熔體分配板和噴絲板結構、拉伸工藝、松弛熱定型條件和彈性纖維加工油劑等。

2.1 紡絲溫度

復合纖維的紡絲工藝流程與常規纖維的工藝流程相似，紡絲溫度根據兩種組分各自的熔體特性確定。PTT切片紡絲生產工藝不同于PET切片，紡絲溫度比PET低30 K左右，一般要求熔體在螺桿與噴絲板之間的停留時間不超過15 min，否則熔體容易發生熱降解。就并列復合中空纖維紡絲而言，兩種熔體的溫差越大，熔體的黏度相差就越大。實際生產中發現，兩種熔體的黏度相差過大會影響紡絲的穩定性，進而影響產品質量。因此，對PTT采用低溫熔融、高溫紡絲工藝，對PET則采用高溫熔融、低溫紡絲工藝。紡絲過程中，控制PTT的溫度在235～265℃，PET的溫度在270～290℃，紡絲箱體溫度在285～288℃。

在相同的擠出條件下，低黏度組分PTT呈凹型，高黏度組分PET呈凸型［8］。圖1為PTT/PET并列復合中空纖維的截面圖，截面中陰影部分為半消光PET組分，光亮部分為微消光PTT組分。

圖1 PTT/PET并列復合中空纖維截面

從圖1可見，該纖維兩種組分界面清晰并且相容，纖維截面呈中空狀態。經檢測，復合纖維的中空度達30%。

2.2 紡絲組件

復合紡絲組件的關鍵部件是熔體分配板和噴絲板。在并列復合中空纖維的制造過程中使用了特殊孔形的噴絲板，以使高彈纖維具有中空的截面幾何形狀。分配板采用導管式結構，每根導管對應一個噴絲板導孔。PET組分通過處在熔體分配板導管外的腔體流入導孔，PTT組分則通過下分配板導管中心流入導孔，兩種熔體在噴絲孔中形成環狀液流后噴出。利用噴絲板上的C形噴絲孔可方便地紡制出外徑較細、中空度適宜的纖維:當熔體經噴絲板C形孔的圓弧狹縫擠出后，圓弧形熔體膨化，兩端黏合而形成空腔，經固化后形成中空纖維。噴絲孔圓弧狹縫的大小直接影響纖維中空腔的形成。夾縫過大的話，只能紡出C形纖維;夾縫過小時的話，熔體出噴絲孔后很快發生膨化而黏合，外界氣體不能進入熔體內部，無法形成空腔。從機械強度角度考慮，噴絲孔圓弧狹縫小則噴絲板的強度低，易損壞。另外，噴絲孔的排列方式和C形孔的開口方向對纖維的中空度和卷曲效果等指標也有較大的影響。

2.3 拉伸工藝

由于初生纖維截面具有不同的微觀結構，因此，在相同的拉伸過程中，纖維截面的軸向存在不同的內應力。當拉伸外力消失后，因高彈形變而伸展的大分子立即發生松弛，產生不同程度的收縮，使纖維繞軸向發生扭曲，從而產生螺旋形波紋外形。復合纖維的后加工工藝參數取值介于PET、PTT兩種高聚物的加工工藝參數之間，拉伸過程中主要控制拉伸比、拉伸溫度和熱定型溫度等工藝參數。

2.3.1 拉伸比

復合纖維的整體取向隨拉伸比的增加而增加。無論是PET組分還是PTT組分，大分子鏈在外力作用下沿纖維軸向發生了取向，尤其是非晶區分子鏈的規整性增強，卷曲的大分子鏈受到拉伸，所受作用力越大，大分子鏈沿纖維軸的取向程度越高。拉伸比對于不同組分復合纖維大分子取向的影響不盡相同，故纖維的收縮性能也不同。拉伸比增大，大分子取向趨于增大，活性在熱松弛狀態下的收縮率也隨之增大，從而造成兩種組分的收縮差異增大［8］。同時，由于PTT大分子存在“奇碳效應”，在分子鏈上存在三維螺旋結構，由此形成的彈性纖維更具良好的結構基礎［9］。在實際生產中，過大的拉伸比會導致毛絲、斷頭，故拉伸比不能過高。反之，拉伸不足會產生僵絲，從而影響產品質量。因此，在后加工過程中，拉伸比應控制在3.5～4.0左右。

PTT/PET并列復合中空纖維后加工過程中拉伸比對纖維彈性性能的影響見表2。

表2 拉伸比對PTT/PET并列復合中空纖維彈性性能的影響

由表2可見，在給定的拉伸比條件下，復合纖維的彈性隨著拉伸比的增加而增加，這與多數熔融紡纖維的變化規律一致。

2.3.2 拉伸溫度

在拉伸過程中，纖維的超分子結構發生變化，主要表現為取向度的提高及結晶結構的變化。在復合纖維拉伸過程中應盡可能保持結晶度不變或結晶度增加緩慢，換言之就是阻止纖維中大分子結晶，顯然高溫拉伸和緊張熱定形方式是不可取的。相對來說，拉伸溫度和定型溫度對纖維結構和彈性性能的影響較小。PTT的玻璃化溫度55～60℃，然而PTT/PET復合纖維的玻璃化溫度小于50℃，因此將拉伸浴槽溫度控制在60～65℃，將拉伸蒸汽加熱箱溫度控制在90～100℃。

2.4 松弛熱定型條件

經過拉伸后的纖維盡管產生了螺旋形波紋，但纖維內部結構還不能處于相對固定的狀態，尺寸穩定性很差，必須通過熱定型來縮短大分子松弛時間，增加結晶度，使卷曲構象固定下來。松弛定型溫度和時間對PTT/PET并列復合中空纖維卷曲回復率的影響見圖2。

圖2 卷曲回復率與松弛定型溫度、時間的關系

由圖2可見，適當提高松弛定型溫度或延長松弛定型時間有利于纖維彈性性能的提高。試驗采用140～160℃的松弛熱定型溫度和15～30 min的松弛熱定型時間，纖維卷曲自然，高彈性纖維的卷曲牢度大。由此可見，后加工使初生纖維潛在的自然螺旋卷曲性能得以顯現，賦予纖維不同于普通聚酯纖維的彈性性能。

PTT/PET并列復合中空纖維和PET、PTT纖維的彈性性能比較見表3。

表3 不同纖維的彈性性能比較 %

由表3可見，實驗制得的PTT/PET并列復合中空纖維卷曲彈性率達到90%以上，卷曲回復率達到25%以上，彈性性能介于PET和PTT纖維之間。

2.5 彈性纖維加工油劑的選擇

采用并列復合中空纖維制成的三維卷曲纖維，其彈性、膨松性與天然羽絨相差不多，但是手感不如天然羽絨，必須對三維卷曲纖維進行表面處理，使纖維與纖維之間的靜摩擦系數降低，從而賦予纖維柔滑的手感。實驗選用某油劑生產廠家的兩種抗靜電性優良的油劑(蓬松型、滑爽型)并進行了對比試驗。兩種油劑的物理性能基本相同，PTT/PET并列復合中空纖維分別經兩種油劑上油后，成品的含油率及比電阻均符合要求，可見兩種油劑的潤濕性均較好，但纖維的手感和經過拉伸、熱定型后的顏色方面有差異。經比較，滑爽型油劑的使用效果較好，彈性纖維更具滑爽的手感。

3 結論

(1)并列中空復合纖維的兩種不同組分高聚物原料的選擇非常重要，就PTT/PET并列復合中空纖維而言，兩種組分的黏度差異是影響纖維結構、彈性及其回復性能的關鍵因素。

(2)生產PTT/PET并列復合中空纖維時，PTT熔體的溫度控制在235～265℃，PET熔體的溫度控制在270～290℃，兩種組分溫度差在25 K左右較好。

(3)拉伸比對PTT/PET并列復合中空纖維彈性性能的影響較大，拉伸溫度和定型溫度對纖維結構和彈性性能的影響相對較小。

(4)松弛熱定型有利于提高PTT/PET并列復合中空纖維的卷曲性能，而定型溫度和時間則影響到產品的卷曲穩定性，因此定型溫度和時間應分別控制在140～160℃和15～30 min。

(5)油劑選用恰當能夠賦予PTT/PET并列復合中空纖維滑爽的手感。

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Preparation of High Elasticity Bicomponent Hollow Polyester Fibers

Zhang Peihong
(SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.200540)

In the preparation process of PTT/PET bicomponent hollow polyester fiber，the effects of high polymer material，compound spinning temperature，structure of key parts in spinning pack，drawing process and shrink－setting conditions on the elasticity of the fiber were discussed.Result showed that the viscosity difference between the two kinds of high polymer materials were key factors affecting elasticity of fiber，spinning temperature difference between the two components was appropriate at about 25K，drawing ratio had great effect on the elasticity performance of fiber，and the shrinkage－setting temperature and time should be controlled at 140～160℃ and 15～30min respectively.

PTT，PET，bicomponent，hollow，elastic fiber

1674－1099 (2011)05－0027－04

TQ342+.8

A

2011-09-19。

張培紅，女，1972年出生，1994年畢業于上海石油化工高等專科學校化纖專業，2005年畢業于華東理工大學工程管理專業，工程師，從事新產品開發管理工作。